基于绝对节点坐标法的自由站立式立管复杂动力响应与流固耦合响应分析系统研究

The purpose of this project is to investigate the multiple coupling dynamic characteristics of free standing hybrid riser (FSHR) system affected by large deformation motion, vortex-induced motion (VIM) and vortex-induced vibration (VIV). An emerging method named absolute nodal coordinate formulation (ANCF) in the investigation of flexible multibody dynamics is extended to the field of ocean engineering, and a dynamic simulation method for the rigid flexible coupling structure with large deformation which can be applied to analyze FSHR is proposed. The coupling motion and the acting law of fluctuating fluid force in the combined state of VIM of buoyancy can and VIV of pipelines are explored based on fluid-structure coupling dynamics and model test, whose inherent relationships with the dynamic response of the rigid flexible coupling system with large deformation are further studied. On this basis, a set of analysis system with high accuracy and efficiency for FSHR is developed, which can simulate the multiple coupling dynamics and the characteristics of VIM and VIV of FSHR precisely. This project will solve the analyzing problems of complex dynamic and fluid-structure coupling responses of FSHR, which may lay a theoretical foundation for the independent design and analysis as well as the future application of FSHR in the South China Sea. Finally, the project also provides a new method for the research on dynamic response of rigid flexible coupling system in ocean engineering.

本申请课题将以考虑大变形运动特征与涡激运动及涡激振动影响的自由站立式立管系统多重耦合动力学特性为研究目标，将柔性多体动力学研究中的新兴方法—绝对节点坐标法扩展到海洋工程领域，提出适用于自由站立式立管的大变形刚柔耦合结构动力学模拟方法，结合流固耦合动力学与模型试验探究浮力筒涡激运动与管线涡激振动组合状态下的耦合运动与流体力作用规律，并研究其与大变形刚柔耦合系统动力响应的内在关联特性，进一步开发得到一套高精度与高效率的自由站立式立管分析系统，使其能够较为精确地模拟自由站立式立管的耦合动力特性及涡激运动与涡激振动特性。本研究工作将解决自由站立式立管系统的复杂动力响应与流固耦合响应分析问题，为我国自由站立式立管的自主设计分析及其未来在南海的工程应用奠定理论基础，并为海洋工程领域刚柔耦合多体系统的动力响应研究提供新的方法。

涡激振动（Vortex-induced Vibration, 简称VIV）是导致深水立管疲劳损伤的重要因素之一，全面考虑工程中立管VIV特性与影响因素，并预报和评估其振动响应与疲劳寿命，可以保证海洋工程结构物的经济效益和服役期的安全运行，具有非常重要的理论和实际意义。.考虑到自由站立式立管中的浮力筒在洋流作用下会发生涡激运动（Vortex-induced Motion，简称VIM），因此自由站立式立管具备浮力筒VIM和立管VIV双重流固耦合特征，所以本项目以自由站立式立管为原型，对立管模型在不同类型动态边界条件下的VIV特性与规律展开研究，致力于揭示不同类型动态边界条件及参数对立管模型VIV的耦合作用机理。在此基础上结合绝对节点坐标法（Absolute Nodal Coordinates Formulation，简称ANCF）与Van der Pol尾流振子模型提出了动态边界下的VIV响应预报模型，为立管VIV研究提供更加全面系统的分析方法和思路。具体研究内容与成果如下：.（1）首先进行了细长立管VIV的模型试验方法研究，通过对均匀流下的静态边界VIV试验结果进行分析总结了幅值分阶变化、行波传播等规律以及“多阶锁定区间”、“行波反射”、“水滴形轨迹”等现象。.（2）基于模型试验方法探究了不同动态边界对立管横流向和顺流向VIV特性的振荡耦合效应，通过研究不同动态边界对VIV响应特征的影响规律以归纳总结其可能产生额外疲劳损伤贡献的因素，为形成更准确的立管VIV疲劳损伤评估体系提供支持。.（3）基于ANCF建立了立管非线性结构动力学模型以为VIV预报模型提供结构基础。通过在总体坐标系下定义立管单元坐标，以参考构形下的参量精确表示当前构形变形特征，基于能量变分原理推导形成单元平衡方程中的各物理量矩阵，利用有限元法进行单元组装和约束处理，得到整个系统的动力学模型。.（4）利用ANCF结构动力学模型与Van der Pol尾流振子模型提出了立管VIV响应预报模型，将ANCF动力响应分析模型与ANCF尾流振子模型相结合并对VIV模型进行振荡修正，实现了对动态边界条件作用下的VIV响应预报。